УЛЬТРАЗВУКОВОЙ ФАЗОВЫЙ ВИБРОПРЕОБРАЗОВАТЕЛЬ Российский патент 2015 года по МПК G01B17/00 

Изобретение относится к измерительной технике и может найти применение при измерении параметров вибрации шнековых валов. Известно измерительное устройство, содержащее последовательно соединенные задающий генератор ультразвуковой частоты, излучающий преобразователь, исследуемый объект, приемный преобразователь, и фазовый детектор, первый вход которого подключен к выходу задающего генератора. Принцип работы этого устройства заключается в том, что между падающим на исследуемый объект, и отраженным от него акустическими сигналами существует определенный фазовый сдвиг, который измеряется фазовым детектором. В том случае, когда исследуемый объект неподвижен, разность фаз между падающим (опорным) и отраженными сигналами неизменна. Если объект начинает движение, разность фаз между падающим и отраженным сигналами начинает меняться, следовательно изменяется величина выходного сигнала фазового детектора. Если фазовый детектор работает в линейном режиме, то величина сигнала на его выходе пропорциональна смещению исследуемого объекта [Редчиков В.В. Ультразвуковой фазовый метод измерения виброперемещений. М., МДНТП им. Дзержинского, 1973, с.194-199].

Недостатком этого устройства является узкий динамический диапазон измерения виброперемещений из-за наличия нелинейных искажений выходного сигнала фазового детектора за счет произвольного выбора рабочей точки на выходной характеристике детектора.

Этот недостаток устраняется в измерительном устройстве, содержащем последовательно соединенные задающий генератор ультразвуковой частоты, излучающий преобразователь, исследуемый объект, приемный преобразователь, фазовый детектор, второй вход которого подключен к выходу приемного преобразователя, а первый к выходу генератора ультразвуковой частоты. Входы фазового детектора можно менять местами, от этого его функционирование не изменится [Гордеев Б.А. Ультразвуковой фазовый измеритель виброперемещений, АС СССР №823824, кл. G01B 7/00, 1979]. Хотя в этом измерительном устройстве рабочая точка на линейном участке фазовой характеристики детектора, но при возрастании амплитуды виброперемещений, или при медленном дрейфе исследуемого объекта рабочая точка покидает линейный участок. При измерении стационарных вибропроцессов данное устройство работает в линейном режиме. На практике значительно чаще возникает нестационарный режим, при котором измеряемые высокочастотные вибросигналы, взаимодействуя с низкочастотными создают дрейф рабочей точки фазового детектора, приводящей к нелинейным искажениям выходного сигнала.

Этот недостаток устранен в ультразвуковом фазовом измерительном устройстве, содержащем последовательно соединенные задающий генератор, линию задержки с управляемыми входами, излучающий преобразователь, взаимодействующий с исследуемым объектом, приемный преобразователь, фазовый детектор, второй вход которого подключен к входу излучающего преобразователя, аналогоцифровой преобразователь и блок обработки информации [Гордеев Б.А. Ультразвуковой фазовый измеритель виброперемещений, АС СССР, №1048330, G01H 1/00; G01B 17/00]. Выход фазового детектора соединен со входом компаратора, выход которого соединен со входом коммутатора и вторым входом блока обработки информации. Выходы коммутатора соединены с управляющими входами управляемой линии задержки.

Ультразвуковое фазовое измерительное устройство работает следующим образом. Выходной сигнал задающего генератора через линию задержки поступает на излучающий преобразователь. Первоначальная задержка сигнала должна удовлетворять условию R₀=(n/2+1/4)λ, где n - число дискретных изменений фазы, равное числу управляющих входов линии задержки, λ - длина ультразвуковой волны в данной среде. В этом случае при смещении исследуемого объекта на величину, не превышающую одну восьмую длины волны нелинейных искажений не возникает. Измерительное устройство работает в линейном режиме. Отраженный сигнал с выхода приемного преобразователя поступает на второй вход фазового детектора, на первый вход которого поступает опорный сигнал с линии задержки. Изменяющийся по амплитуде выходной сигнал фазового детектора поступает на компаратор, на который от источника опорного напряжения подаются напряжения уровней U¹ и U², соответствующие верхнему и нижнему порогам, вне которых заметно наличие нелинейных искажений. При увеличении выходного сигнала фазового детектора на величину, соответствующую смещению исследуемого объекта на расстояние превышающее восьмую часть длины волны зондирующего ультразвукового сигнала, в этом сигнале начинают проявляться нелинейные искажения. В этом случае выходной сигнал фазового детектора в компараторе достигает одного из уровней напряжения U¹ или U². Тогда на выходе компаратора появляется импульс, поступающий одновременно на коммутатор и блок обработки информации. На втором выходе коммутатора появляется управляющий сигнал, изменяющий время задержки. Время задержки соответствует изменению фазы сигнала на втором входе фазового детектора на величину равную одной восьмой периода, и рабочая точка смещается на одну восьмую длины волны ультразвукового сигнала, что устраняет нелинейные искажения. Аналогичные процессы происходят, если величина выходного сигнала фазового детектора уменьшается до значения U².

Однако при измерении параметров радиальной вибрации вала с установленным на нем шнеком возникают дополнительные трудности, так как поверхность шнека представляет винтовую поверхность, где высота спирали шнека может быть одного порядка с диаметром шнека. Тогда выходной сигнал насыщается дополнительными гармониками, так как спираль шнека, попадая в зону действия зондирующего акустического сигнала вызывает модуляцию отраженного сигнала не только по фазе, но и по частоте. Поэтому выделение информационной составляющей по фазе связано с возрастающими ошибками. Ошибки возрастают при увеличении угловой скорости вращения шнека. Известен также ультразвуковой фазовый вибропреобразователь, содержащий излучающий преобразователь, фазовращатель приемный преобразователь, компаратор, источник опорного напряжения, фазовый детектор, блок обработки сигналов и задающий генератор, выход которого соединен с входом излучающего преобразователя, выход фазовращателя подключен к входу фазового детектора, выход которого подсоединен к входу компаратора, другой вход которого соединен с выходом источника опорного напряжения, выход компаратора соединен с входами элементов И-Не и И, а выход элемента И-Не соединен с блоком обработки информации, другой вход которого соединен с выходом частотного детектора, а вход частотного детектора соединен с выходом элемента И [Гордеев Б.А., Новожилов М.В., Караванцев В.К., Королев В.А. Ультразвуковой фазовый вибропреобразователь, патент РФ №1637493 A1, G01H 5/00].

Ультразвуковой фазовый вибропреобразователь работает следующим образом.

Сигнал с выхода задающего генератора поступает на излучающий преобразователь, который излучает ультразвуковые волны в направлении исследуемого объекта. При этом начальное расстояние L должно удовлетворять условию: $$L=\left(\frac{n}{2}+\frac{1}{4}\lambda \right)$$ , где: n - целое число, λ - длина волны ультразвука в воздухе. Отраженный от исследуемого объекта ультразвуковой сигнал принимается приемным преобразователем, сигнал с выхода которого поступает на вход фазовращателя, изменяющего фазу сигнала на постоянную величину, чтобы соблюдалось условие расположения рабочей точки в центре прямолинейного участка выходной характеристики фазового детектора при неподвижном объекте исследования.

Возможны два случая, характерные для данного преобразователя. В первом случае, колебания исследуемого объекта не выходят за пределы линейного участка выходной характеристики фазового детектора. Это значит, колебания исследуемого объекта происходят с малой амплитудой и частотой. Тогда выходной сигнал фазового детектора несет всю информацию о виброперемещениях исследуемого объекта. В компараторе происходит контроль уровней выходного сигнала фазового детектора. Если уровни этого сигнала не выходят за пределы допустимых, установленных в компараторе, то фазовый детектор работает в обычном режиме и его выходной сигнал пропорционален виброперемещениям. В том случае, если величина выходного сигнала фазового детектора выходит за пределы допустимых уровней, установленных в компараторе, срабатывает элемент И-Не, фазовый детектор отключается, а через открывшийся элемент И сигнал с приемного преобразователя пройдя фазовращатель поступает на вход частотного детектора. При малых индексах частотной модуляции, когда m=1 или меньше, в частотном детекторе частотно модулированный сигнал преобразуется в амплитудно модулированный. Изменения значений выходного сигнала частотного детектора соответствуют изменениям виброскорости исследуемого объекта.

Этот ультразвуковой фазовый вибропреобразователь имеет существенный недостаток. Он не позволяет проводить вибродиагностику таких, например устройств как шнековые передачи в металлорежущих станках, шнековые буры в геологоразведочных работах, шнековые механизмы в дорожно-строительных машинах и т.д.

Наиболее близким по технической сути к заявляемому является патент Российской Федерации.

Гордеев Б.А., Куклина И.Г., Голубева К.В., Гордеев А.Б. Ультразвуковой фазовый вибропреобразователь // Патент на изобретение. Заявка №2011130282/28, 20.07 2011. Опубликовано 10.01.2013. Бюл. №1.

Ультразвуковой фазовый вибропреобразователь содержит последовательно соединенные задающий генератор, усилитель мощности, излучающий преобразователь, исследуемый объект - вал со шнеком, приемный преобразователь, согласующий усилитель, формирователи меандров, входы которых соединены с выходами задающего генератора и согласующего усилителя соответственно, а выходы формирователей соединены со входами первого блока умножения, выход которого соединен с первым входом второго блока умножения, второй вход которого соединен с выходом генератора тактовых импульсов, а третий вход - через последовательно соединенные кодовый диск, жестко закрепленный на валу шнека, датчик угла поворота вала, формирователь прямоугольных импульсов, имеющего два устойчивых состояния, соединен с выходом этого формирователя, а выход второго блока умножения через блок обработки данных соединен с цифроаналоговым преобразователем.

Ультразвуковой фазовый вибропреобразователь работает следующим образом.

Прежде всего, на валу шнекового механизма закрепляется кодовый диск в том положении, чтобы при вращении вала поле действия ультразвукового зондирующего сигнала не входило в область шнекового выступа. Иначе при вращении вала зондирующий луч, попадая на шнековый выступ, отражается от него, наполняясь неинформативными гармоническими составляющими. Эти составляющие значительно затрудняют обработку сигнала и вносят ошибку, достигающую 100% и более.

Сигнал с выхода задающего генератора поступает на излучающий преобразователь, который излучает ультразвуковые волны в направлении исследуемого объекта - вала. Отраженный от исследуемого объекта ультразвуковой сигнал принимается приемным преобразователем, с выхода которого поступает на вход фазовращателя, изменяющего фазу сигнала на постоянную величину, чтобы соблюдалось условие расположения рабочей точки в центре прямолинейного участка выходной характеристики фазового детектора при неподвижном объекте исследования. При этом начальное расстояние L должно удовлетворять условию: $$L=\left(\frac{n}{2}+\frac{1}{4}\lambda \right)$$ , где: n - целое число, λ - длина волны ультразвука в воздухе. При вращении вала со шнеком, при условии наличия эксцентриситета, изменяется разность фаз между излученным и отраженным от вала ультразвуковыми сигналами. Изменение фазы линейно связано с изменением расстояния отражающей поверхности вала до излучающего и приемного преобразователей. При повышении частоты вращения вала и при наличии эксцентриситета порядка 1/8 длины волны ультразвука в воздухе начинает проявляться частотная модуляция отраженного ультразвукового сигнала. При этом изменение частоты отраженного сигнала характеризует скорость вращения вала. Для точного определения эксцентриситета вала, являющегося важнейшей причиной возникновения виброперегрузок достаточно угловой скорости его вращения порядка нескольких оборотов в минуту. В данном случае фаза является информативным параметром. С выхода фазовращателя отраженный сигнал поступает на первый вход фазового детектора, на второй вход которого поступает опорный сигнал с выхода генератора.

При этом имеют место два режима работы вибропреобразователя.

Первый, когда поле зондируемой поверхности вала свободно от ребра шнека. Это достигается тем, что кодовый диск, укрепленный на валу, соответствует такому углу поворота вала, при котором зондирующий ультразвуковой сигнал падает на свободное от шнека поле. В таком случае сигнал с датчика угла поворота вала, поступая на первый вход элемента «И» умножения, открывает его для прохождения сигнала с фазового детектора на блок обработки данных. Конструкция кодового диска может быть различной: или наличие прозрачных участков для прохождения оптических сигналов с датчика, или наличие отражающих участков поверхности диска для тех же сигналов. Если вал шнека обладает эксцентриситетом, который является основной причиной вибрации, то при повороте вала на некоторый даже небольшой в несколько угловых градусов угол, фаза отраженного ультразвукового сигнала изменится относительно опорного, что зарегистрирует фазовый детектор. При дальнейшем вращении вала ребро шнека достигает поля действия зондирующего ультразвукового луча. При этом датчик угла поворота вала выдает запрещающий сигнал логического нуля на первый вход элемента «И» умножения и закрывает его, еще до входа ребра шнека в зону действия зондирующего ультразвукового луча. После этого действует второй режим работы ультразвукового фазового вибропреобразователя.

Второй режим работы наступает тогда, когда кодовый диск, поворачиваясь на соответствующий угол, изменяет выходной сигнал датчика угла поворота вала на полярный. Например, когда поле взаимодействия зондирующего луча с поверхностью вала свободно от шнека, то выходной сигнал датчика соответствует логической единице, а когда шнек приближается к этому полю, но не заходит в зону действия зондирующего ультразвукового луча, выходной сигнал датчика соответствует логическому нулю. Тогда открывается элемент «И-Не» и отраженный уже и от ребра шнека ультразвуковой сигнал через элемент «И-Не» поступает в частотный детектор и затем в блок обработки данных.

Когда зондирующий луч попадает в область шнека, то полем действия луча является внешняя поверхность ребра шнека. Это явление эквивалентно движению отражающей поверхности навстречу падающему лучу. Поэтому частота отраженного сигнала будет превышать частоту зондирующего луча. Так, например, при частоте вращения вала 10 Гц, высоте ребра шнека 10^-2 м и расстоянии между ребрами шнека по одной образующей 10^-1 м эквивалентная скорость движения отражающей поверхности будет одного порядка со скоростью ультразвука в воздухе.

В этом случае за счет двойного эффекта Доплера частота отраженного сигнала: $$\dot{g}={\omega }_1={\omega }_0\frac{1-\dot{l}\left(t\right)/c}{1+\dot{l}\left(t\right)/c}$$ , где: ω₀ - частота падающей волны, при этом отраженную волну теперь можно представить в виде:

где: l(t)=L+Δ(t).

Если ребро шнека является движущейся границей раздела сред по закону: Δt=l₀sinΩt, тогда

Последнее выражение можно привести к виду:

f₊=A₀[J₀(m)cosω₀t-2J₁(m)sinΩtsinω₀t+

+2J₂(m)cos2Ωtcosω₀t-2J₃(m)sinω₀tcos3Ωt+…]

Или в более развернутой форме

f₊=A₀cos(ω₀t+msinΩt)=A₀{J₀(m)cosω₀t+J₁(m)[cos(ω₀+Ω)t-cos

(ω₀--Ω)t]+J₂(m)[cos(ω₀+2Ω)t+cos(ω₀-2Ω)t]+J₃(m)[cos(ω₀+3Ω)t-

cos(ω₀-3Ω)t]+…},

где: J_n(m) - Бесселева функция первого рода n-го порядка от аргумента m,m=ω_d/Ω - индекс частотной модуляции, ω_d - девиация частоты отраженного акустического сигнала.

Таким образом, в спектр отраженного сигнала вклад различных боковых составляющих определяется величиной m.

Если m << 1, то имеют место приближенные равенства

sin(msinΩt)≈msinΩt, cos(msinΩt)≈1,

Это происходит тогда, когда угловая скорость вала незначительна.

Таким образом, при малой девиации частоты отраженного акустического сигнала в его спектре появляются только две дополнительные гармоники.

При значениях индексов m, изменяющихся в интервале от 0,5 до 1, приобретает некоторое значение вторая пара боковых частот, ввиду чего ширина спектра должна быть приравнена 4Ω. Далее, при 1<m<2 приходится учитывать третью и четвертую пары боковых частот и т.д. Все эти процессы подвергаются анализу в блоке, который выполняет функции анализатора спектра.

Ультразвуковой фазовый вибропреобразователь позволяет проводить вибродиагностику вращающихся валов со сложной внешней поверхностью, образующая которой не является прямой линией, за счет измерения дисбаланса роторов со сложной конфигурацией.

Однако данное устройство предполагает наличие на валу шнека кодового диска. Это условие не всегда возможно реализовать на практике. Например, в строительно-дорожных машинах, где его наличие связано с дополнительными техническими трудностями, поскольку в этих машинах всегда присутствует боковое давление грунта, снега и других сред на плоскость спирали шнека, а следовательно, и на кодовый диск. Внешнее давление вызывает его деформацию и, как следствие, ошибки синхронизации при измерениях. Не всегда возможно применение кодовых дисков в бурильных установках.

Изобретение относится к измерительной технике и может найти применение при измерении параметров радиальных вибраций шнековых валов в различных отраслях машиностроения.

Цель изобретения - расширение функциональных возможностей и повышение точности измерений радиальных вибраций шнековых валов. Ультразвуковой фазовый вибропреобразователь (фиг.1) содержит последовательно соединенные задающий генератор 1, усилитель мощности 2, излучающий преобразователь 3, исследуемый объект 4 - вал со шнеком, приемный преобразователь 5, согласующий усилитель 6, формирователи меандров 7, 8, входы которых соединены с выходами задающего генератора 1 и согласующего усилителя 6, соответственно, а выходы формирователей соединены со входами первого блока умножения 9, выход которого соединен с первым входом второго блока умножения 14, второй вход которого соединен с выходом компаратора 12 и через последовательно соединенные дифференциатор 15, инвертор 16 и третий блок умножения 17 соединен с блоком анализа вибросигналов 18, первый вход компаратора соединен через интегратор 11 с выходом согласующего усилителя 6, второй и третий входы компаратора соединены с выходами источника 13 опорных напряжений, а третий вход блока 14 соединен с выходом генератора 10 тактовых импульсов и со вторым входом третьего блока умножения 17, выход которого соединен с блоком анализа вибросигналов 18.

Ультразвуковой фазовый вибропреобразователь работает следующим образом.

Сигнал генератора 1 ультразвуковой частоты 100-300 кГц подается на усилитель мощности 2, а затем на излучающий преобразователь 3. Меняя частоту задающего генератора 1, добиваются наиболее эффективного излучения ультразвукового сигнала преобразователем 3 путем его настройки на частоту электромагнитного резонанса. Необходимым условием перед началом измерений является расположение пятна контакта зондирующего ультразвукового луча на поверхности вала шнека 4, а не на спирали шнека. Отраженный от поверхности вала ультразвуковой луч через приемный преобразователь 5 поступает на согласующий усилитель 6. При вращении вала 4 фаза отраженного ультразвукового сигнала меняется на некоторую величину, которая зависит от эксцентриситета вала, или от износа подшипников. Если вал шнека обладает некоторым эксцентриситетом, то отраженный от поверхности вала ультразвуковой сигнал изменяется по фазе относительно опорного, излученного. Модулированный по фазе ультразвуковой сигнал поступает на приемный преобразователь 5, настроенный на частоту механического резонанса. Преобразователь 5 преобразует сигнал акустической природы в сигнал электромагнитный со всеми индексами частотной и фазовой модуляции. Затем электромагнитный сигнал через согласующий усилитель 6 поступает одновременно на интегратор 11 и на формирователь меандра 8, где из синусоидального сигнала преобразуется в последовательность однополярных прямоугольных импульсов той же частоты. Выходной сигнал (опорный) задающего генератора 1 через формирователь 7 прямоугольных импульсов поступает на первый вход первого блока 9 умножения, на второй вход которого поступает последовательность прямоугольных импульсов с выхода формирователя 8. На формирователь 7 поступает опорный сигнал с выхода задающего генератора 1 и на его выходе он приобретает форму меандра. Выходной сигнал формирователя 7 имеющего вид меандра, отличается от выходного сигнала формирователя 8 только тем, что может иметь некоторое рассогласование по фазе и частоте. Изменение фазы линейно связано с изменением расстояния отражающей поверхности плоскости спирали шнека до излучающего и приемного преобразователей, а изменение частоты характеризует не только скорость вращения вала, но и процессы вызываемые эффектом Доплера при переходе пятна контакта зондирующего ультразвукового луча на внешнюю поверхность спирали шнека. Поскольку при наличии даже слабого эксцентриситета вала фаза отраженного ультразвукового сигнала меняется относительно стабильной фазы опорного сигнала с задающего генератора 1, то выходной сигнал первого блока 9 умножения представляет последовательность прямоугольных импульсов различной длительности. Это обусловлено тем, выходные сигналы блока 9 умножения будут больше нуля только тогда, когда одновременно на обоих входах блока 9 будут присутствовать однополярные сигналы. Поскольку фаза отраженного сигнала не остается постоянной, то и импульсы с выхода формирователя 8 во временной области перемещаются относительно импульсов выходного сигнала формирователя 7. Выходной сигнал первого блока 9 умножения подается на первый вход второго блока 14 умножения. На второй вход которого поступает разрешающий сигнал с выхода компаратора 12. Назначение компаратора 12 в том, что он формирует разрешающий импульс для считывания информации с выхода первого блока 9 умножения. Длительность разрешающего импульса соответствует времени нахождения пятна контакта зондирующего ультразвукового луча на поверхности вала, не затрагивая областей спирали шнека. Работа компаратора 12 заключается в следующем. Выходной сигнал согласующего усилителя 6 поступает одновременно на формирователь 8 и на интегратор 11. Интегратор 11 выполнен по схеме двухполупериодного выпрямителя. Это соответствует тому, что при повышении амплитуды выходного сигнала усилителя 6 уровень постоянного выходного напряжения интегратора 11 также повышается. Выходное постоянное напряжение интегратора поступает на первый вход компаратора 12, на второй и третий входы которого поступают сигналы с источника 13 опорных напряжений, имеющего несколько устойчивых состояний. В том случае, когда уровень сигнала на выходе интегратора 11, поступающий на первый вход компаратора 12 превышает уровень сигнала на втором его входе, на выходе компаратора формируется положительный прямоугольный импульс, длительность которого определяется временем нарастания выходного сигнала интегратора 11. Когда уровень выходного сигнала интегратора достигнет уровня напряжения, подаваемого на третий вход компаратора 12 со второго выхода источника 13 опорных напряжений, уровень прямоугольного импульса выходного сигнала компаратора упадет до нуля, и второй блок умножения 14 отключится. Необходимым условием формирования данного прямоугольного импульса является разность уровней выходных напряжений источника 13. Уровень напряжения поступающего с первого выхода источника 13 на второй вход компаратора 12 должен быть одного порядка с выходным уровнем напряжения интегратора 11 при неподвижном шнеке. Уровень напряжения поступающего со второго выхода источника 13 на третий вход компаратора превышает уровень с первого его выхода, как минимум, в два раза. Максимальное превышение может быть на порядок больше. Эти условия определяются конструкцией шнека, в частности формой его спирали - прямоугольной, трапецеидальной, эллиптической и т.д.

При вращении вала шнека пятно контакта зондирующего ультразвукового луча, перемещаясь по его поверхности, достигает области спирали шнека. Зондирующий ультразвуковой луч пятном контакта начинает попадать на боковую поверхность шнека. Падающий на боковую поверхность спирали шнека ультразвуковой луч начинает отражаться под другим углом и мощность сигнала принимаемого преобразователем 5 снижается. Вследствие этого падает уровень выходного сигнала интегратора 11. Если этот уровень окажется ниже порога выходного напряжения с первого выхода источника 13, то выходной сигнал компаратора 12 снижается до нулевого уровня, вторая схема умножения 14 перестает работать и процесс измерений прекращается. Но может быть и второй вариант, когда пятно контакта зондирующего ультразвукового луча при вращении вала попадает уже не на боковую, а на внешнюю поверхность ребра шнека. Тогда отраженный луч насыщается дополнительными гармониками, вследствие проявления эффекта Доплера, а фаза отраженного сигнала изменяется более чем на один период частоты зондирующего сигнала и частота отраженного сигнала резко повышается, энергетическое насыщение отраженного сигнала также возрастает. Поэтому уровень выходного сигнала интегратора 11 превысит уровень сигнала, подаваемого на третий вход компаратора 12 со второго выхода источника 13. Следовательно выходной сигнал компаратора 12 вновь принимает нулевое значение. В том случае, когда работает второй блок умножения 14, фаза является информативным параметром. Выходные сигналы с блоков 7 и 8 прямоугольной формы поступают на входы первого блока 9 умножения, выполняющего роль фазового детектора, на выходе которого формируется последовательность прямоугольных импульсов различной длительности. Длительность этих импульсов характеризует изменение фазы и, следовательно, расстояния до исследуемого объекта, или смещение отражающей поверхности вследствие дисбаланса вала шнека. Эта последовательность прямоугольных импульсов поступает на первый вход второго блока 14 умножения, на второй вход которого поступает разрешающий сигнал с выхода компаратора 12, имеющего вид прямоугольного импульса, длительность которого соответствует времени нахождения пятна контакта зондирующего ультразвукового луча на поверхности вала шнека, а на третий вход этого блока поступают тактовые импульсы высокой, порядка 1 гГц, частоты с генератора 10 тактовых импульсов. Меняющееся число тактовых импульсов в выходном сигнале блока 14 соответствует изменению фазы между отраженным и опорным сигналами. Блок 18 анализа предназначен для представления реализации исследуемого процесса в частотной или во временной областях. Выходной сигнал этого блока через цифроаналоговый преобразователь (ЦАП) 19 может поступать на осциллограф или непосредственно в компьютер, где в зависимости от программного обеспечения может анализироваться автокорреляционная функция, спектральный состав, гистограмма распределений информативных параметров. В отличие от прототипа роль кодового диска в предлагаемом устройстве выполняет интегратор 11, что позволяет повысить надежность его работы, когда плоскости спирали шнека подвергаются переменным нагрузкам.

Измерение угловой скорости шнека ультразвуковым фазовым вибропреобразователем осуществляется следующим образом.

В момент времени, когда выходной сигнал компаратора 12 принимает нулевое значение, на выходе дифференциатора 15, соединенного с выходом компаратора, формируется отрицательный продифференцированный импульс, соответствующий по времени моменту появления пятна контакта зондирующего ультразвукового луча на внешней поверхности ребра спирали шнека. Этот импульс через инвертор 16 поступает на третий блок 17 умножения. В качестве инвертора может служить, например R-S триггер, включенный по счетному входу, поэтому на его выходах имеются только два информационных сигнала, нуль и единица. Допустим продифференцированный импульс, поступивший на его вход, перевел триггер в единичное состояние. Тогда логическая единица будет присутствовать на информационном выходе триггера до тех пор, пока следующий продифференцированный импульс той же полярности не переведет его из единичного в нулевое состояние. Длительность сформированного временного интервала соответствует одному обороту вала, так как отрицательные импульсы с выхода дифференциатора 15 возникают только при появлении пятна контакта ультразвукового зондирующего луча на внешней поверхности ребра спирали шнека. В течение времени действия сформированного временного интервала импульсы тактового генератора 10, поступающие на второй вход блока 17 умножения проходят на блок анализа 18. Их число соответствует одному периоду оборота вала.

Конструктивно предлагаемое устройство выполняется следующим образом. Задающий генератор - стандартный прибор, выпускаемый серийно, имеющий частотный диапазон от 20 килогерц до 1 мГц. Это рабочий диапазон ультразвукового фазового вибропреобразователя. Однако серийно выпускаемые приборы имеют обычно более широкие диапазоны частот, от нескольких герц до десятков мегагерц. Поэтому в зависимости от условий работы ультразвукового фазового вибропреобразователя иногда целесообразно задающий генератор изготовить на одну из частот, соответствующих собственным частотам излучающего и приемного преобразователей. Причем для наиболее эффективной работы, излучающий преобразователь настраивается на частоту электрического резонанса, а приемный на частоту механического резонанса. Излучающий и приемный преобразователи изготовлены разработчиками, где чувствительный элемент, преобразующий сигналы одной физической природы в другую, является покупным. Это керамика цирконат-титанат свинца, ЦТС-19. Логические элементы - «И», «И-Не» покупные. Блок обработки данных - персональный компьютер с заданными программами, разработанными авторами.

Изобретение относится к измерительной технике и может найти применение для измерения параметров радиальных вибраций и при балансировке шнековых механизмов в различных отраслях машиностроения. Цель изобретения - расширение функциональных возможностей и повышение точности измерений радиальных вибраций шнековых валов. Ультразвуковой фазовый вибропреобразователь, содержит последовательно соединенные задающий генератор, усилитель мощности, излучающий преобразователь, исследуемый объект, приемный преобразователь, согласующий усилитель, формирователи меандра, фазовый детектор, первый и второй блоки умножения, выходы задающего генератора и согласующего усилителя через формирователи меандров и первый блок умножения соединены с первым входом второго блока умножения, второй вход которого соединен с выходом компаратора, третий вход - с генератором тактовых импульсов, а выход через блок обработки информации соединен с цифроаналоговым преобразователем, к выходу согласующего усилителя подключены последовательно соединенные интегратор, компаратор с тремя входами, источником опорного напряжения с двумя выходами, а выход компаратора соединен с третьим входом второго блока умножения и с последовательно соединенными дифференциатором, инвертором, с первым входом третьего блока умножения и блоком анализа вибросигналов, генератор тактовых импульсов соединен со вторым входом третьего блока умножения, а второй и третий входы компаратора соединены с выходами источника опорных напряжений. 1 з.п. ф-лы, 1 ил.

1. Ультразвуковой фазовый вибропреобразователь, содержащий последовательно соединенные задающий генератор, усилитель мощности, излучающий преобразователь, исследуемый объект, приемный преобразователь, согласующий усилитель, фазовый детектор, формирователи меандра, первый и второй блоки умножения, выходы задающего генератора и согласующего усилителя через формирователи меандров и первый блок умножения соединены с первым входом второго блока умножения, второй вход которого соединен с выходом генератора тактовых импульсов, а выход через блок обработки информации соединен с цифроаналоговым преобразователем, отличающийся тем, что он снабжен последовательно соединенными интегратором, компаратором с тремя входами, источником опорных напряжений с двумя выходами, вход интегратора соединен с выходом согласующего усилителя, а выход компаратора соединен с вторым входом второго блока умножения и с последовательно соединенными дифференциатором, интегратором, первым входом третьего блока умножения и блоком анализа вибросигналов, генератор тактовых импульсов соединен со вторым входом третьего блока умножения и с третьим входом второго блока умножения, а второй и третий входы компаратора соединены с выходами источника опорного напряжения.

2. Ультразвуковой фазовый вибропреобразователь по п.1, отличающийся тем, что источник опорного напряжения имеет несколько устойчивых состояний.